BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGUYỄN LỘC KHA
NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ HỌC
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VÀ ỨNG DỤNG
TRONG KẾT CẤU CẦU
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM
MÃ SỐ: 62.58.25.01
TÓM TẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS-TS. Phạm Duy Hữu
2. PGS-TS. Nguyễn Ngọc Long
HÀ NỘI - 2013
2
MỞ ĐẦU
Bê tông cường độ siêu sao là một loại vật liệu mới, được nghiên cứu
và ứng dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong vài thập kỷ
gần đây. Đặc tính của loại bê tông này là có cường độ chịu nén rất cao có thể
lên đến từ 100 -:- >200MPa, khả năng chịu kéo khi uốn lên đến 40MPa, khả
năng chịu cắt tăng cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất
lớn và đặc biệt là có độ bền và sự ổn định lâu dài. Hiện nay trên thế giới đang
từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, nhà cao tầng, các
công trình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết
cấu công trình.
Ở Việt Nam, đang phát triển cơ sở hạ tầng, nhiều công trình cầu,
đường hiện đại đang được xây dựng, nên việc nghiên cứu phát triển một loại
vật liệu bê tông mới có cường độ siêu cao để tăng khả năng chịu lực, độ bền
của công trình là vấn đề cần thiết.
Chúng ta có thể nghĩ đến khả năng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng
bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu ở Việt Nam để có thể áp dụng thay
thế cho một số dạng kết cấu cầu, đường bộ hiện nay và từng bước nghiên cứu
ứng dụng bê tông cường độ siêu cao này trong thiết kế một số các kết cấu của
công trình cầu, đường, các nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác.
Đó chính là lý do Nghiên cứu sinh chọn đề tài để nghiên cứu.
Tên đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông cường độ
siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu”.
Mục đích nghiên cứu:
Hướng lý thuyết: Lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu đã được Larard
trình bày. Các hướng dẫn tính toán thành phần theo cấp phối tối ưu của Fuller
năm 1997. Các nghiên cứu thực nghiệm định lượng được thực hiện bỡi
SETRA/AFGC năm 2002; phương pháp thiết kế theo DIN; phương pháp thiết
kế theo ACI-544… Các lý thuyết này nghiên cứu sinh sử dụng trong nghiên
cứu của mình
Hướng thực nghiệm: Định lượng lại thông qua thực nghiệm và từ thực
nghiệm xác định lại các hệ số của các công thức. Đây cũng là một hướng
được một số nước như Hàn Quốc, Mỹ thực hiện. Hướng và mục đích của
nghiên cứu sinh thực hiện; tức là tiến hành theo hướng định lượng lại mô
hình vật liệu từ các điều kiện vật liệu ở Việt Nam thông qua các thí nghiệm
và cũng từ các thí nghiệm xác định lại công thức tính cường độ chịu kéo khi
uốn nhằm tạo ra các thông số phục vụ tính toán kết cấu.
Đối tượng nghiên cứu: Từ vật liệu trong nước, nghiên cứu thực nghiệm xác
định mô hình vật liệu và chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao có cường độ
120 -:- 140MPa và ứng dụng trong kết cấu cầu.
3
Phạm vi nghiên cứu: Định lượng lại mô hình vật liệu thông qua thí nghiệm,
Phân tích thực nghiệm ứng xử uốn của dầm để tìm công thức t, phân tích
ứng xử uốn dầm cầu để xác định chiều cao mới của dầm cầu. Nghiên cứu
sinh chỉ nghiên cứu dầm cầu dưới tác dụng của tải trọng tỉnh, các tải trọng
động, tải trọng lặp chưa đề cập trong luận án này.
Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài:
- Về lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết tính toán về độ đặc tối ưu
để thiết kế cấp phối bê tông cường độ siêu cao. Phân tích ứng xử uốn của
dầm và dầm cầu để tìm ra công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn t và
chiều cao dầm cầu.
- Về thực nghiệm: Tìm kiếm vật liệu, chế tạo ra cấp phối vật liệu bê tông
cường độ siêu cao từ 120 -140MPa với vật liệu trong nước. Từ thực nghiệm
nêu lên các đặc trưng cơ học của bê tông cường độ siêu và đề xuất công thức
tính cường độ chịu kéo khi uốn t; phân tích ứng xử uốn của dầm cầu và đề
xuất chiều cao dầm cầu
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1.Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã
được công bố trên thế giới
Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu mới được nghiên cứu
và phát triển trên thế giới từ năm 1990. Các ứng xử cơ học, các công thức về
tính toán cũng như các hướng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng đã được công
bố ở Pháp, Mỹ và Đức. Một số ứng dụng đầu tiên ở Cananda, Châu Âu, Châu
Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích của loại vật liệu mới này về chi phí,
tính bền vững và nhiều tính năng ưu việt khác.
Với những ưu điểm vượt trội của bê tông này, cho phép chúng ta có
những suy nghĩ về việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu
thành phần trong nước, trên cơ sở tham khảo những kết quả nghiên cứu của
các nước trên thế giới, sẽ mở ra một hướng đi mới trong ngành vật liệu xây
dựng và kết cấu công trình
1.2. Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ, ở Châu Âu
và Châu Á
Các lý thuyết mới về thành phần hạt theo độ đặc tối ưu đã được
Larrard trình bày
Các lý thuyết về cấp phối hạt tối ưu đã được Schmidt và Fuller trình
bày. Các hướng dẫn thiết kế đã được SETRA / AFGC công bố
Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và
khuyến cáo bởi RILEM, DIN;
Các thí nghiệm về định lượng lại mô hình vật liệu đã được FHWA
(Hoa Kỳ) và Hàn Quốc thực hiện.
4
Các hình ảnh từ 1.1 -:-1.6 gi
ớ
dụng trong quân sự điển hình
Hình 1.1: So sánh về trọng lượng và chiề
u c
bê tông tru
Hình 1.2: Các cầu sử dụng bê tông cườ
ng đ
M
Hình 1.3:Cầu người đi bộ ở Seoul Hàn
Quốc năm 2002
Hình 1.5: Cầu Bourg –lès – Valence,
France năm 2004
4
i thiệu các kết cấu cầu, nhà và các ứng
u cao c
ủa dầm bê tông cường độ siêu cao và
truy
ền thống
ng đ
ộ siêu cao mặt cắt dầm chữ T và chữ ở
M
ỹ
Hình 1.4: Mái nhà cửa sổ Millau năm
2004
Hình 1.6: Thử nghiệm khả năng chịu
công phá sử dụng trong quân sự Iran
5
1.3.Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã
được công bố ở Việt Nam
Ở Việt Nam: bê tông cường độ siêu cao là một đề tài còn khá mới.
Đến năm 2008 mới được một số nhà khoa học ở các trường ĐH Giao thông
Vận tải; ĐH Xây dựng; ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh… bắt đầu nghiên
cứu về bê tông này. Các nghiên cứu nêu trên được xem là những nghiên cứu
ban đầu về bê tông siêu cường độ ở Việt Nam.
Như vậy bê tông cường độ siêu cao đối với Thế giới và Việt Nam
vẫn còn mang tính thời sự rất lớn, cần thiết có nhiều nghiên cứu để chế tạo ra
bê tông này từ vật liệu trong nước góp phần bổ sung hoàn thiện hệ thống lý
luận, tính toán và từng bước đưa vào ứng dụng thử nghiệm cho một số công
trình xây dựng.
1.4.Mục tiêu của đề tài
Từ vật liệu trong nước, theo các hướng dẫn của thế giới; nghiên cứu
chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao từ 120 -:- 140MPa. Nghiên cứu thực
nghiệm uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao để
xác định hệ số K trong công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn. Phân tích
ứng xử uốn của dầm cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao từ đó đề xuất
chiều cao của dầm cầu.
1.5.Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, thí nghiệm các
tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa. Phân tích
uốn kết cấu dầm, dầm cầu và từ đó định hướng sử dụng trong kết cấu. Sử
dụng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để xác định về thành phần, các
tính năng cơ học của bê tông cường độ siêu cao và công thức tính cường độ
chịu kéo khi uốn và chiều cao dầm cầu.
Chương 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
2.1 Vật liệu chế tạo:
2.1.1/ Xi măng, phụ gia siêu dẻo và muội Silic
Nghiên cứu sinh sử dụng xi măng PC40-Bút Sơn loại I phù hợp với
quốc tế và thực tế xi măng ở Việt nam
Luận án sử dụng phụ gia Policacbol silat của hãng Sika Việt Nam với
kí hiệu 3000-20 các tính năng phù hợp tiêu chuẩn ASTM C494 loại C
Luận án sử dụng muội Silic do Sika Việt Nam bán trên thị trường
cũng có tính năng đảm bảo các tiêu chuẩn ASTM 1230-95a, hình 2.1